Nya alternativ för att göra finstrukturerade mjuka, flexibla och expanderbara material som kallas hydrogeler har utvecklats av forskare vid Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT).
Deras arbete utökar det framväxande fältet av "kirigami-hydrogeler", där mönster skärs till en tunn film så att den senare kan svälla till komplexa hydrogelstrukturer. Forskningen är publicerad i tidskriften Science and Technology of Advanced Materials .
Hydrogeler har ett nätverk av vattenattraherande (hydrofila) molekyler, vilket gör att deras struktur kan svälla rejält när de utsätts för vatten som blir inkorporerat i det molekylära nätverket. Forskarna Daisuke Nakagawa och Itsuo Hanasaki arbetade med en från början torr film bestående av nanofibrer av cellulosa, det naturliga materialet som utgör mycket av strukturen hos växtcellväggar.
De använde laserbearbetning för att skära in strukturer i filmen innan vatten tillsattes så att filmen svällde. Den speciella designen av Kirigami-mönstret fungerar på ett sådant sätt att bredden ökar när den sträcks i längdriktningen, vilket kallas den auxetiska egenskapen. Denna auxetiska egenskap framträder förutsatt att tjockleken växer tillräckligt när den ursprungliga tunna filmen är våt.
"Eftersom Kirigami bokstavligen betyder den skurna designen av papper, var den ursprungligen avsedd för tunna arkstrukturer. Å andra sidan manifesteras vår tvådimensionella auxetiska mekanism när tjockleken på arket är tillräcklig, och denna tredimensionalitet hos hydrogelstrukturen uppstår genom att den sväller när den används. Det är bekvämt att förvara den i torrt tillstånd före användning, snarare än att hålla samma vattenhalt som hydrogelen, säger Hanasaki.
"Dessutom bibehålls auxeticiteten under den cykliska belastningen som gör att den adaptiva deformationen av hydrogelen når ett annat strukturellt tillstånd. Det kommer att vara viktigt för utformningen av intelligenta material."
Potentiella applikationer för de adaptiva hydrogelerna inkluderar mjuka komponenter i robotteknik, vilket gör att de kan reagera flexibelt när de interagerar med objekt som de manipulerar, till exempel. De kan också vara inbyggda i mjuka omkopplare och sensorkomponenter.
Hydrogeler undersöks också för medicinska tillämpningar, inklusive vävnadsteknik, sårförband, läkemedelstillförselsystem och material som kan anpassas flexibelt till rörelse och tillväxt. Framstegen inom kirigami-hydrogeler som uppnåtts av TUAT-teamet utökar avsevärt alternativen för framtida hydrogelapplikationer.
"Att behålla de designade egenskaperna och samtidigt visa anpassningsförmåga till miljöförhållandena är fördelaktigt för utvecklingen av multifunktionalitet", avslutar Hanasaki.
Mer information: Daisuke Nakagawa et al, Adaptive plasticity of auxetic Kirigami hydrogel tillverkad av anisotropisk svällning av cellulosa nanofiberfilm, Science and Technology of Advanced Materials (2024). DOI:10.1080/14686996.2024.2331959
Journalinformation: Vetenskap och teknik för avancerade material
Tillhandahålls av National Institute for Materials Science
